Только в январе 2015 года Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) снизило пороговое значение для бисфенола А в упаковке. Гормонально активный сыпучий химикат, помимо прочего, является основным материалом для поликарбоната, из которого, например, производятся компакт-диски, пластиковая посуда или очки для очков. Из-за своей химической структуры бисфенол А не полностью разлагается на биологических стадиях очистных сооружений и сбрасывается очистными сооружениями в реки и озера.
Активированный уголь или адсорберы уже используются для удаления химикатов, антибиотиков или тяжелых металлов из сточных вод или технологической воды. Однако недостатком этих высокопористых материалов является длительное время контакта, которое требуется загрязняющим веществам для диффузии в поры. Чтобы как можно больше вредных веществ улавливалось даже за более короткое время, очистные сооружения используют большее количество адсорберов в соответственно больших резервуарах для очистки. Однако активированный уголь можно регенерировать только с высоким потреблением энергии, что по большей части приводит к необходимости утилизировать большие количества материала, загрязненного загрязняющими веществами.
Кроме того, мембранная фильтрация с помощью мембран нанофильтрации или обратного осмоса, которые могут удалять загрязняющие вещества, еще не является рентабельной для удаления растворенных молекул из потоков большого объема, таких как технологические или сточные воды. Мембраны фильтруют воду через свои поры, когда давление создается с одной стороны мембраны, таким образом сдерживая более крупные молекулы и твердые частицы.
Но чем меньше поры мембраны, тем выше давление — и, следовательно, тем больше энергии — требуется для отделения веществ от воды.Мембранные адсорберы — фильтрация и связывание за один шаг
Исследователи из Института межфазной инженерии и биотехнологии им. Фраунгофера IGB в Штутгарте выбрали новый подход, сочетающий в себе преимущества обоих методов. При изготовлении мембран они добавляют мелкие частицы полимерного адсорбера.
Полученные мембранные адсорберы могут — в дополнение к своей функции фильтрации — адсорбционно связывать вещества, растворенные в воде. «Мы используем пористую структуру мембраны, расположенную под разделительным слоем. Поры имеют очень специфическую поверхность, так что в них может поместиться как можно больше частиц, и они также обеспечивают оптимальный доступ», — говорит д-р Томас Шистель, руководитель рабочей группы «Неорганические интерфейсы и мембраны» Fraunhofer IGB.«В отличие от обычных адсорберов, наши мембранные адсорберы транспортируют загрязняющие вещества конвективно. Это означает, что при быстром течении воды через поры мембраны время контакта, продолжающееся всего несколько секунд, достаточно для адсорбции загрязняющих веществ на поверхности частиц», — говорит ученый.
До 40 процентов веса мембранных адсорберов приходится на частицы, поэтому их связывающая способность соответственно высока. В то же время мембранные адсорберы могут работать при низких давлениях. Поскольку мембраны могут быть очень плотно упакованы, очень большие объемы воды можно обрабатывать даже с помощью небольших устройств.Функциональные адсорбирующие частицы
Исследователи производят частицы адсорбера с помощью одностадийного экономичного процесса. В этом запатентованном процессе мономерные компоненты полимеризуются с помощью сшивающего агента с образованием глобул полимера размером от 50 до 500 нанометров. «В зависимости от того, какие вещества необходимо удалить из воды, мы выбираем наиболее подходящий из множества мономеров с различными функциональными группами», — поясняет Шистель. Спектр здесь варьируется от пиридина, который имеет тенденцию быть гидрофобным, до катионных соединений аммония и включает анионные фосфонаты.Селективное удаление загрязняющих веществ и металлов
Исследователи смогли показать в различных тестах, что мембранные адсорберы очень избирательно удаляют загрязнители с помощью частиц, которые адаптированы для конкретного рассматриваемого загрязнителя. Например, мембранные адсорберы с пиридиновыми группами особенно хорошо связывают гидрофобный бисфенол А, тогда как адсорберы с аминогруппами адсорбируют отрицательно заряженную соль антибиотика пенициллина G.«Различные частицы адсорбера можно даже объединить в одной мембране.
Таким образом, мы можем удалить несколько микрозагрязнителей одновременно с помощью всего одного мембранного адсорбера», — говорит Шистель, указывая на еще одно преимущество. Мембранные адсорберы, оснащенные различными функциональными группами, также могут удалять из воды токсичные тяжелые металлы, такие как свинец или мышьяк.
Фосфонатные мембранные адсорберы, например, адсорбируют более 5 граммов свинца на квадратный метр площади поверхности мембраны — на 40 процентов больше, чем коммерчески доступные мембранные адсорберы.Экономичный и регенерируемый
Чтобы мембранные адсорберы можно было использовать несколько раз, адсорбированные загрязнители необходимо еще раз отделить от частиц в мембране. «Мембранные адсорберы для бисфенола А можно полностью регенерировать, изменив значение pH», — объясняет Шистель. Концентрированные загрязнители затем могут быть утилизированы с минимальными затратами или разложены с использованием подходящих окислительных процессов.Регенерируемость мембранных адсорберов также делает возможным другое применение: повторное использование разделенных молекул.
Это дополнительно делает технологию привлекательной для извлечения ценных драгоценных металлов или редкоземельных металлов.